CN1274043A - 具有冷却水套的发动机冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冷却水套的发动机冷却装置,它是在由水套盖密闭的水套内,以灌注的油等为冷却介质,以超导传热元件(热管)和散热器为其散热构件,为其主要特征。本发明兼备水冷和风冷之长处,具有发动机冷却均匀,冷却效果得当,平时不要加水,冬季不要放水,结构简单,维修方便,对自然环境适应性强,有利于提高热效率和降低废气排放浓度以及降低噪音等特点,是对发动机冷却装置的一种具有显著特点的重大改进。

Description

具有冷却水套的发动机冷却装置

本发明属于发动机制造技术，具体涉及一种特别适用于具有包括缸体水套和缸盖水套在内的冷却水套的发动机冷却装置。

现有技术中，单缸或双缸卧式发动机的冷却方式有水冷和风冷两种。就前者水冷却而言，据统计，因用水和用水不当引起的诸如水垢、腐蚀、冻裂、开锅等故障，就占总故障的20-50％，且在运行中需频繁加水，而冬季还得放水防冻，操作颇为麻烦，且在开车后暖机时间尤长，以致气缸冷磨损大。尤其是由于水箱和散热器只能安装在发动机顶上方，而增加了发动机的高度，影响了与使用发动机机械的配套，丧失了卧式发动机在高度上的优势。而就后者风冷却而言，它又暴露了强化潜力差，充气系数小，平均有效压力低，缸径受到约束，噪音较大的不足。

而一个良好的发动机冷却装置，应该是散热能力能满足发动机在各种工况下运转的需要。当工况和环境条件变化时，仍然保持最佳的冷却温度，以保证发动机可靠工作。然而，无论是水冷还是风冷都不可能做到这一点。尤其是风冷发动机，当其工况改变时，例如转速不变负荷改变时，由于转速不变则风扇风量不变，所以按大负荷设计冷却量，在小负荷时就可能会过冷；按小负荷设计，则在大负荷时可能会过热。又如负荷一定，转速改变时，机件受热一定，但风扇风量与转速成正比。按高转速设计，低转速时可能过热；按低转速设计，则高转速时可能过冷。当外界大气温度变化时，气温高散热难，易于过热；气温低散热好，易于过冷。特别是低转速大负荷时(如爬坡、过沟等)往往出现过热，上述问题产生的原因是风扇由发动机直接带动。不合理的设计使得冷却风扇白白浪费了许多有用功率。

本发明的目的在于综合水冷和风冷发动机冷却装置的优点，扬长避短，而提供一种发动机冷却均匀，冷却效果合理，强化潜力大，充气系数大，噪音低，平均有效压力值高，平时无需加水，冬季不用放水，且适用于干旱缺水，高原寒冷地区的，结构较简单，维修量较小的适用范围大的发动机冷却装置，以克服现有技术的不足。

本发明的目的是采用以下技术方案得以实现的：它包括发动机冷却水套(包括缸体水套和缸盖水套)，而在冷却水套的顶部，设有呈与冷却水套密闭结合的水套盖，在冷却水套与水套盖所构成的腔内，注有冷却介质，在水套盖上至少固装有1根超导传热元件，而超导传热元件的热端通过水套盖置插在冷却介质内，而在超导传热元件的冷端，置设有散热器。

水套是水冷发动机冷却装置的重要部分。当在水套内充灌水之后，它则具有发动机冷却均匀，冷却效果好，强化潜力大，充气系数大，平均有效压力值高，且可明显降低燃烧的噪音，基于水套所具有的综合优势，也便于本发明在现有发动机上的应用，故本发明仍包括了水套(指缸体水套和缸盖水套)。

有鉴于水冷发动机用水作为冷却介质，是发动机众多故障的根源，故本发明以矿物油，或有机物/无机物的水溶液，或植物油，或液态高分子复合物(共沸物)替代水作为冷却介质。油既导热，且沸点高，可提高发动机的冷却温度，减少热损失，提高燃烧效率，降低油耗和烟度浓度；油的凝点低，能防冻、不会腐蚀金属、不生锈、不生垢，始终保持油接触后的良好散热；油的饱和蒸汽压低，便于密封于水套安全使用；油的抗氧化性能好，使用寿命长，加了一次油可供长期使用，且水套容积小，用油量不大，所以也很经济，且可克服频繁加水、放水的烦恼。冷却油最好选用导热油，因其性能好，不易结焦，但为了取之方便，也可用内燃机机油或柴油；而柴油的闪点偏低，加入机油混合则可提高闪点，则其使用效果更好。当然除了上述矿物油外，有机物/无机物的水溶液，如：防冻液(如乙醇)，防锈乳化水冷却液、MCT润滑冷却液，以及植物油、液态高分子复合物(共沸物)等都可供使用。油和水相比，油的比热是水的一半，粘度比水大，导热系数是水的1/3。作为冷却剂，油不如水。油的这一不足，一是通过提高冷却温度予以补偿，二是通过超导传热元件提高整个冷却速度得以克服。

水套盖采用导热性好的金属材料如铝铸制成。在水套盖的下平面上，设有若干个翅肋，以提高水套盖的吸热效果。在水套盖上设有螺孔可与热管的热端螺纹连接；也可以设有通孔，采用上、下螺母与防泄漏垫圈配合拧紧结合连接；在热管热端设有吸热翅片的条件下，则水套盖采用“哈夫”对开结构，且采用焊接方式，而令热管和水套盖结合连接。水套盖通过螺钉和密封垫片与水套组成密封的冷却介质存贮腔。吸热翅片和热管的热端***冷却介质内吸热，吸热翅片起辅助热管吸热的作用。在水套盖上设有一个由螺孔和螺钉构成的加油孔，可用其检测油位的高度。在不加油时，则用螺钉旋入螺孔而令其密封。

采用风冷机的散热形式，使本发明简单，可靠。散热器可采用带散热片的实体结构。可参照风冷机气缸的散热片设计，沿热管长度方向布置径向散热片。散热片可以开切口，切***错分布，以增加空气湍流。散热器与热管可通过套装或螺纹连接；散热器也可采用由若干根带翅片的超导传热管束排列组合结构。翅片管优选铜铝复合的轧制翅片管，即铜铝复合螺旋园翼片管，因它传热性好，重量轻，热阻小。也可选用针刺管，焊片管，绕片管，穿片管。翅片截面形状可为矩形、三角形或其它形状，翅片结构是直翅或环翅。翅片管可以两头都有翅片，也可以只有一头有翅片。

为了实现发动机在各种工况下和气候条件变化时，始终保持最佳的冷却温度，本发明在特需条件下还采用了温控冷却电风扇，它由电瓶供电的低压电风扇和温控开关电路组成。当发动机温度超过了某个设定值后，便接通电源，启动风扇吹风散热，反之，则停止工作。这对于车用发动机，节能效果尤为明显。而所说的温控开关可以是双金属温控开关，且该温控开关置设在发动机缸体或缸盖的侧壁上，而令其能最大程度地正确体恤并感受气缸内的温度并及时作出正确的反应。而对于不带电瓶的发动机，可采用由飞轮风扇和导风罩组成的低成本冷却器，或者皮带传动风扇冷却器。后者由轴流式或离心式风扇和传动部件组成。传动部件包括：风扇皮带轮、张紧轮、摆动式张紧机构，风扇皮带和飞轮皮带轮。由于超导散热器(热管)的散热效果好，有可能省去风扇冷却，这要视具体情况而定。

本发明得以实现其目的的关键在于，采用了超导传热元件。超导传热元件实现了水冷机水套吸热形式与风冷机散热形式的结合。也正是这种结合，才使得冷却介质(油)冷却超导散热发动机兼有风冷机和水冷机之长处，而克服了两者之弊端。而且有明显的的实质性特点和显著进步。

超导传热元件担负着将水套里冷却介质吸收的热量迅速传递到散热器进行冷却的任务。有多种超导传热元件可供选择，本发明优选的是热管和无机热传导元件。热管是一个密封的金属管，内部装有工质，依靠工质的相变和蒸汽流动传递热量；无机热传导元件采用密封管状或板状腔体结构，内装无机元素作工质，并经真空处理，无机导热介质受热后利用分子的振荡、磨擦，将热能呈波状进行快速激发并传递。这两种超导传热元件，在传热过程中其热阻有趋于零的特性，即热超导性。当量传热系数是银的几十至几千倍。

若采用整体结构的散热器，则所用热管选用光管；若采用管束排列组合结构的散热器则热管可用翅片管。热管可以选用两相热虹吸管或毛细吸液芯式热管或可控热管。热管中的工质可分别选用水、甲醇、乙醇、戊烷、庚碳、丙酮、氟里昂、氨、氟化碳或其它化学物质。无机物传导管中的工质是无机物。超导传热元件可以采用管状结构，也可采用板状腔体结构，其材质可以分别选用铜、铝、钢、不锈钢、铝合金或者它们的复合材料，如：铜铝复合或钢铝复合材料等。其中管状结构的管壳，可以是光管或者是翅片管或是挠性管。翅片管可以两头都有翅片，也可以仅一头有翅片。翅片管按加工工艺，可分别选用轧制管、针刺管、焊片管、绕片管和穿片管等。翅片截面形状可分别为矩形、三角形或其它形状。翅片结构是直翅或是环翅。挠性管是指热管的蒸发段(热端)和冷凝段(冷端)为刚性管，而绝热段使用柔性金属管(如波纹软管)。超导传热元件管内或腔内作真空处理或微真空处理或不作真空处理。

本发明优选的超导传热元件——热管的根数选择，可根据发动机的标定功率，并采用由中国农业机械出版社出版发行的《柴油机设计手册》(中册)所给出的公式计算求得。即：  Qw＝q·Ne

    式中：Qw——柴油机冷却水套散走的热量(千卡/小时)

    Ne——柴油机标定功率(马力)

    q——比散热量(千卡/马力、小时)

在求得冷却水套散走的热量Qw之后，再根据每根热管在单位时间内的吸(散)热量QR，作计算而求得所需热管的根数，即：

所需热管根数Rg＝Qw/QR＝q·Ne/QR

以S1100A自然吸气直喷单缸柴油机为例，其参数选取如下：

q为500千卡/马力、小时；

Ne为15马力。

∴Qw＝500×15＝7500千卡/小时

而一根内径为Φ21mm的铜—水热管的吸(散)热量QR为：

QR＝5×10^-4千克/秒×2.31×10⁶焦耳/千克

＝1155焦耳/秒＝1155瓦(请参见鞍山鞍明热管技术有限公司于1997年9月1日编发的《热管及热管散热器介绍》)

∵1千卡/小时＝1.163瓦

1.163×7500＝8722.5瓦

所需铜—水热管根数Rg＝8722.5瓦/1155瓦＝7.55(根)

∴需取8根。

在该柴油机水套盖的有效表面面积上，完全有余地可以布排8根铜—水热管。

本发明所需热管根数的选择，也可根据由中国农业机械出版社出版的由吉林工业大学杨连生主编的《内燃机设计》高等院校教材所给出的算式进行求取。

综观以上描述，本发明克服了水冷和风冷的不足，兼备水冷和风冷之长处，所具有的发动机冷却均匀，冷却效果合理得当，平时无需加水，冬季不用放水防冻，结构简单，维护保养方便，适用性强，有利于改善汽缸内油燃烧性能，提高热效率，降低燃烧噪音，降低废气排放浓度等特点，是显而易见的。可以这样认为，本发明是对发动机冷却装置的一项具有显著进步和突出的实质性特点的重大改进。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1，为本发明的一种结构示意图，图中省略了水套部分图样。

图2，为本发明的另一种结构示意图。

图3，为本发明的第三种结构示意图。

实施例之一，描述的是具有一根热管的本发明，如图1如示，它由水套1，铝质水套盖2，导热油冷却介质3，Φ21mm铜—水热管4，热端吸热翅片5和冷端翅片叠合筒式散热器6所组成。水套盖2呈对开状，且与热管4焊接结合，螺孔9为检测油位孔，在平时可用螺钉和防泄漏垫圈配合堵封。水套盖2用螺钉和防泄漏垫片配合通过发动机原置装水箱的螺孔相拧合结合，在水套盖2的底面设有用来提高吸热效果的翅肋8。本实施例适用于标定功率在2马力以下的发动机。

实施例之二，描述的是具有2根以上热管的，且将热管的冷端和散热器引至发动机旁侧的一种本发明，如图2所示。在铜—水热管4的冷端设有翅片散热器6，热管4通过上下螺母和防泄漏垫圈配合拧紧而与水套盖2结合。在必要时，于散热器6的旁侧设有低压风扇7(在冷却效果得当时可不设风扇7)，热管4和散热器6安装在发动机侧面的适当位置，若是船用发动机，可以将热管4和散热器6安装在水里。低压风扇7由安装在缸盖侧壁上的双金属温控开关按照设定的温度控制，风扇7由电瓶供电。当然也可以不设温控开关，而设用人工手动开关，控制风扇7的开和关。其它如同实施之一。本实施例可广泛适用于标定功率在2马力以上的发动机。

实施例之三，描述的是具有多根热管，且在缸盖上同样设有热管的一种本发明，如图3所示。其铜—水热管4和翅片散热器6安装在水套盖2的上方，且在缸盖上方也设有铜—水热管4和翅片散热器6，且热管(4)通过设在其管壁上的外螺纹，与设在水套盖2上的螺孔配合拧紧，而实现其与水套盖2的结合。在翅片散热器6的旁侧设有风扇7，而该风扇7通过诸如风冷发动机风扇的传动机构，由发动机自传动。其它均如同实施例之二。

本发明的实际应用安装，不受上述实施例描述之限制。

Claims (10)

1、一种特别适用于具有冷却水套的发动机冷却装置，它包括发动机冷却水套(1)，其特征在于，在冷却水套(1)的顶部，设有呈与冷却水套密闭结合的水套盖(2)，而在冷却水套(1)与水套盖(2)所构成的腔内，注有冷却介质(3)，在水套盖(2)上至少固装有1根超导传热元件(4)，而超导传热元件(4)的热端通过水套盖(2)置插在冷却介质(3)内，而在超导传热元件(4)的冷端，设有散热器(6)。

2、根据权利要求1所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，所说的冷却介质(3)是矿物油，或是有机物或无机物的水溶液，或是植物油，或是液态高分子复合物。

3、根据权利要求2所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，所说的矿物油，是导热油，或是内燃机机油，或是柴油，或是柴油和机油的混合油；而所说的有机物或无机物的水溶液，是防冻液，或是MCT润滑冷却液，或是防锈乳化冷却液。

4、根据权利要求1所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，所说的超导传热元件(4)，是无机热传导元件，或者是热管。

5、根据权利要求4所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，所说的热管(4)是铜—水热管，或是钢—水热管，或是铜铝—水热管，或是钢铝—水热管，或是铝—氨热管，或是铝—丙酮热管，或是铝—乙醇热管，或是钢—氟化碳热管，或是铜—水—吸液芯热管，或是钢—水—吸液芯热管。

6、根据权利要求5所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，在所说的热管(4)置插在冷却介质(3)内的热端，设有吸热翅片(5)，且热管(4)与水套盖(2)的结合，为焊接结合。

7、根据权利要求1所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，在所说的水套盖(2)上设有由螺钉、螺孔和防泄漏垫圈组成的加油窥视孔(9)，且在水套盖的底面设有吸热翅肋(8)。

8、根据权利要求1所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，在所说的散热器(6)的旁侧，设有风扇(7)。

9、根据权利要求8所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，所说的风扇(7)由发动机自传动，或者是低压电机传动。

10、根据权利要求9所述的具有冷却水套的发动机冷却装置，其特征在于，在所说的低压电机的电路上设有温控开关(10)，且所说的温控开关(10)置设在发动机的缸体或缸盖的侧壁上。

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